Pomiar czasu na przestrzeni dziejów

Historia początków pomiaru czasu jest bardzo odległa i wiąże się ściśle z rozwojem badań astronomicznych. Rachuba czasu odegrała również ważną rolę w kartografii, a także miała i ma znaczenie w życiu codziennym. Powiązanie jej z astronomią wynika z faktu, iż jest ona oparta na pozornym ruchu Słońca po sklepieniu niebieskim. Pierwszym przyrządem służącym do wyznaczania czasu był gnomon, wynaleziony prawdopodobnie przez Chińczyków około 2500 r. p.n.e. (według niektórych źródeł data powstania gnomonu jest ustalana na rok 3000, a nawet 4000 p.n.e.) [Zajdler 1956]. Instrument ten stanowił pionowo ustawiony pręt lub słup, u podstawy którego oznaczano godziny. Przesuwający się w ciągu dnia cień pełnił rolę wskazówki, która wyznaczała czas. A zatem, był to rodzaj zegara słonecznego ustawianego na placach publicznych miast chińskich, egipskich i babilońskich).

 Nie zdawano sobie jednak sprawy z tego, że zależnie od pory roku temu samemu kierunkowi i tej samej długości cienia odpowiadają różne godziny. W okresie późniejszym, około 2000 r. p.n.e. Egipcjanie wprowadzili przenośne zegary słoneczne, a także podobne instrumenty, lecz oparte nie na kierunku padającego cienia, ale na jego długości (ryć. 112). Natomiast ustalenia czasu w porze nocnej dokonywano za pomocą zegara gwiazdowego.
Zegary słoneczne przeszły znaczną ewolucję i w formie zmodyfikowanej są używane do dzisiaj. Różnica w porównaniu do pierwowzorów polega na tym, że pręt w stosunku do tarczy nie jest ustawiony pionowo, lecz nachylony pod odpowiednim kątem do szerokości geograficznej miejsca lokalizacji instrumentu. Wprowadzenie tej modyfikacji zapewniło dużą dokładność pomiaru czasu.
Gnomon, jak już wspomniano, należy do najstarszych przyrządów astronomicznych, ponieważ według długości i kierunku rzucanego cienia wyznaczano deklinację i azymut Słońca.
Prawdopodobnie pierwszym instrumentem, który umożliwiał określenie czasu bez względu na porę doby był zegar wodny. Data jego powstania nie jest znana. W swojej pierwszej wersji, skonstruowanej przez Egipcjan, było to urządzenie bardzo proste, ale też i niedokładne. Składało się bowiem z naczynia wypełnionego wodą, z którego poprzez otwór denny wyciekała woda. Przyrząd ten stosowany również w Chinach pomimo wprowadzonych ulepszeń nie spełniał należycie swojei roli Zegar chodził nieregularnie, ponieważ jego ruch zależał od wysokości słupa wody w naczyniu. W miarę jej ubywania woda wypływała coraz wolniej. Istotną zmianę w konstrukcji zegarów wodnych wnieśli Grecy. Polegała ona na tym, że nowy zegar, nazwany klepsydrą, miał ściśle określony czas pracy, wynoszący zwykle od kilku do kilkunastu minut. Celem bowiem było ograniczenie czasu przemówień Miał on zastosowanie zarówno na zebraniach publicznych, jak i rozprawach sądowych, a od V w. p.n.e. stanowił wyposażenie greckich szkół retoryki. Poprawiane i ulepszane zegary wodne przetrwały do początku XIV wieku. Prawdopodobnie w tym samym okresie powstał zegar piaskowy. Był to instrument oparty na tej samej zasadzie co zegar wodny, w którym miejsce wody zajął piasek. Zegar piaskowy odznaczał się większą precyzją, ponieważ nie zależał od ilości piasku w naczyniu .

 Prawie w niezmienionej postaci był montowany na ambonach do XIX wieku jako tak zwany zegar kazaniowy, zwykle dwudziestominutowy. Dzisiaj, chociaż nie pełni on dawnej roli, można go spotkać w sklepach z pamiątkami.
Inną odmianą całodobowego instrumentu pomiaru czasu był używany w Chinach zegar ogniowy. Początkowo rolę tę pełniła paląca się świeca, na której oznaczono podziałkę. Później były to rowki wypełniane łatwo palnym proszkiem. Okres jego spalania wyznaczał upływ czasu. Zegary te, podobnie jak wodne, charakteryzowała stosunkowo mała dokładność.
Wspaniałym osiągnięciem naukowym i technicznym starożytnej Grecji było wynalezienie prawdopodobnie przez Hipparcha (180-120 p.n.e.) astrolabium. Przyrząd ten udoskonalił Klaudiusz Ptolemeusz (90-168 n.e.). Składał się z kilku
koncentrycznych kręgów początkowo drewnianych, później miedzianych, mosiężnych, a nawet srebrnych. Astrolabium jest modelem rzutów nieba na płaską powierzchnię i pokazuje pozycję obiektów nieba w określonym czasie lub dacie, jako widoczne z danej szerokości geograficznej na powierzchni Ziemi 

 

 [Rybka 1982].Zainteresowanie tym instrumentem przejawiali Arabowie, którzy go udoskonalili. Wśród nich wyróżnił się Abu Rajchan Muhammed ben Achmed al Biruni (973-1046), autor dwóch dzieł zatytułowanych O rachubie czasu oraz Księga objaśniająca podstawowe zasady astronomii, zawierających zarówno informacje o typach omawianego przyrządu, jak i jego zastosowaniu. Dzięki Arabom, którzy w IX wieku podbili Iberię, astrolabium przedostało się do Europy Zachodniej. Instrument ten miał uniwersalne zastosowanie, używano go w astronomii, nawigacji i miernictwie. Służył również do określania czasu zarówno w dzień (z obserwacji Słońca), jak i w nocy (z obserwacji gwiazd).
Na początku XIV wieku pojawiły się nowe instrumenty pomiaru czasu - zegary mechaniczne, w których źródłem ruchu była energia mechaniczna zawarta w sprężynie lub obciążniku. Odpowiednią prędkość ruchu kół zębatych zapewniał regulator. Pierwsze przyrządy tego typu były stosunkowo prymitywne, nie miały bowiem ani tarcz, ani wskazówek, rolę tę pełnił dzwon, który uruchamiany przez mechanizm wybijał godziny.

Zegary te, znacznych rozmiarów, umieszczano przeważnie na wieżach kościołów, ale też na frontonach pałaców i ratuszy. Jednym z pierwszych, zachowanych do dziś czasomierzy mechanicznych jest zegar katedralny w Wells (Anglia) datowany na rok 1325. Od tego momentu rozpoczyna się niezwykła kariera instrumentu. Stał się on powszechny również na ziemiach polskich. Najstarszy, umieszczony na frontonie ratusza wrocławskiego, pochodzi z roku 1368 (obecny mechanizm zainstalowano w końcu XIX wieku). Na początku XV wieku zegary wieżowe miały także: Gniezno, Gdańsk, Kraków, Lwów i Warszawa.

Jeszcze w XIV stuleciu dokonano istotnych zmian w konstrucji zegarów mechanicznych poprzez dodanie tarczy i wskazówki godzinowej. Instrumenty tego typu służyły również do obserwacji astronomicznych. Pierwszym, który wykorzystywał zegar mechaniczny do tego celu był Bernard Walther z Norymbergi (1484). Jednak uzyskane wyniki nie były zadowalające. Ówczesny zegar pozwalał określić czas z dokładnością do piętnastu minut.
Od momentu pojawienia się zegarów wieżowych czyniono starania w kierunku ich miniaturyzacji - stworzenia zegara domowego. Z opisów historycznych wynika, że pięryysze egzemplarze nowego czasomierza skonstruowano prawie równocześnie z zegarem wieżowym. Miały one ten sam mechanizm (oparty na obciążniku), tarczę oraz wskazówkę godzinową.
Duże znaczenie w dziedzinie pomiaru czasu miało wprowadzenie nowego rodzaju napędu - sprężyny. Stało się to prawie dokładnie wiek później od momentu wynalezienia zegara wieżowego. Wskazuje na to data wykonania najstarszego znanego instrumentu (1435) przeznaczonego dla Filipa Dobrego - księcia Burgundii[Zajdler 1956]. 

Dzięki zastosowaniu sprężyny przyrząd uległ dalszej miniaturyzacji aż do rozmiarów umożliwiających jego przenoszenie. Niemniej jednak miał on dwie wady: był mało dokładny i pracował wyłącznie w pozycji pionowej. Stąd też słuszny pomysł Gemmy Frisiusa wykorzystania zegara do obliczania długości geograficznej na morzu, opisany w jego książce Zasady astronomii i kosmografii, wydanej w 1530 roku, nie mógł być zrealizowany. Instrument zatrzymywał się przy każdym ruchu statku. Istotny postęp w dziedzinie konstrukcji czasomierzy nastąpił dopiero w drugiej połowie XVII wieku. Zawdzięczamy to pracom, jakie w tym kierunku prowadził matematyk, astronom i fizyk, profesor uniwersytetów w Hadze i Paryżu, Holender Christiaan Huyghens (1629-1695). Jest on uważany za wynalazcę instrumentu nowego typu - zegara wahadłowego (1656). W roku 1658 ukazała się praca Horologium Chństiaana Huyghensa z Zulkhan syna Konstantyna opisująca wynalazek. Jednak skonstruowany przyrząd nie odmierzał czasu precyzyjnie. Złożyło się na to kilka przyczyn: mała dokładność wykonania kół zębatych mechanizmu zegara, zakłócenie wahań spowodowane tym, że wahadło nie zwisało swobodnie, a było połączone z mechanizmem za pomocą widełek, wreszcie zmiana długości prętu wahadła pod wpływem temperatury. Eliminacja pierwszych dwóch przyczyn wadliwego funkcjonowania mechanizmu, a także dalsze jego udoskonalenie zajęły Huyghensowi znaczną część życia. Natomiast brak wiedzy dotyczącej kurczliwości bądź rozszerzalności metali spowodowanej zmianami temperatury stał się przeszkodą trudną do pokonania. To zadecydowało, że zegar Huyghensa nie został wykorzystany jako instrument pomagający ustalić długość geograficzną na morzu, gdzie zmiany temperatury mogą następować dość często.
Huyghens był również wynalazcą balansu ze spiralą (1675) - urządzenia spełniającego rolę wahadła, które znalazło zastosowanie i do dziś jest używane w małych zegarach.
Znaczące wyniki prac nad zegarem spełniającym warunki pracy na morzu i pozwalającym wyznaczyć z dużą dokładnością długość geograficzną dowolnego miejsca osiągnął Anglik John Harrison (1693-1776). Zagadnienie to zostało omówione wcześniej. W tym miejscu zajmiemy się wyłącznie istotą samego wynalazku.
Jednym z pierwszych problemów wymagających rozwiązania było zbudowanie wahadła, którego długość byłaby stała bez względu na zmiany temperatury. W roku 1726 zadanie to zostało zrealizowana Wprawdzie w budowanych później przez Harrisona zegarach wahadło zostało zastąpione przez balans, ale nabyte doświadczenie zostało wykorzystane.
Konstrukcja zegara spełniającego warunki pracy na morzu oraz precyzyjnego odmierzania czasu trwała siedem lat i ukończona została w 1735 roku. Numer Jeden (nazwa wprowadzona przez Harrisona) był zegarem sprężynowym z regulatorem dwubalansowym. W ten sposób został pokonany jeden z progów - eliminacja wpływu kołysania statku na ruch zegara, Z kolei uniezależnienie pracy instrumentu od temperatury osiągnął autor dzięki zastosoWniu w balansie podobnego rozwiązania jak w wahadle.
O Numerze Dwa, poza tym, że ważył pięćdziesiąt kilogramów (Numer Jeden -trzydzieści pięć) i ukończony został w 1739 roku, tj. nie wiemy praktycznie nic, ponieważ nie został on poddany planowanym próbom lid morzu. W międzyczasie bowiem wybuchła wojna angielsko-hiszpańska i Anglicy obawiali się, że cenny instrument może wpaść w ręce wroga. Także Numer Trzy, skonstruowany w roku 1757 nie został poddany próbom, bowiem Harrison ogłosił, iż jest w trakcie prac nad Numerem Cztery. Warto jednak odnotować, że trzeci zegar miał siedemset pięćdziesiąt trzy części i ważył tylko trzydzieści kilogramów.
Szpzytowym osiągnięciem prawie pięćdziesięcioletniej pracy Harrisona był ukończony w 1759 roku Numer Cztery. Różnił się on wyraźnie od swoich poprzedników zarówno wymiarami (miał 127 mm średnicy), jak i perfekcyjnością odmierzania czasu. Można więc było przyjąć, że problem pomiaru czasu został rozwiązany. Ostatnim dziełem Wielkiego Zegarmistrza był Numer Pięć, zbudowany wspólnie z synem Williamem po trzech latach pracy (1770) [Goss 1993].

Otwartym zagadnieniem, wymagającym ujednolicenia, pozostała rachuba czasu. Używany początkowo czas prawdziwy, wynikający z położenia Słońca, przestał wystarczać [Rybka 1982]. Wprowadzono więc nowe pojęcie rachuby czasu; czas średni słoneczny, wyznaczany według momentu przejścia Słońca średniego przez południk miejscowy. W końcu XVIII wieku znalazł się on w użyciu powszechnym i był stosowany nieomal do końca XIX wieku. Posługiwanie się nim przy każdorazowej zmianie miejsca pobytu wymagało przestawienia wskazówek zegara. Wraz z rozwojem środków komunikacyjnych, a szczególnie kolei żelaznej i telegrafu konieczność częstego regulowania zegarów stała się uciążliwa. W tym miejscu należy przypomnieć, że pierwszą linię kolejową trakcji parowej zbudował w 1825 roku G. Stephenson. Łączyła ona dwa miasta angielskie - Stockton i Darlington. Natomiast pierwsze telegrafy elektryczne uruchomiono w latach 1830-1840.

Zaistniała potrzeba ujednolicenia rachuby czasu na dużych obszarach Ziemi. Początkowym rozwiązaniem było wprowadzenie tak zwanych czasów kolejowych [Zajdler 1956]. Jednak potrzeby komunikacji i kartografii wymagały globalnego rozwiązania problemu. W roku 1874 Standford Fleming, budowniczy kolei amerykańskich, zaproponował podział Ziemi na dwadzieścia cztery strefy południkowe. Szerokość każdej z nich wynosiła 15°, co odpowiada jednej godzinie w mierze czasowej).
Po dziewięciu latach (1883) na międzynarodowym kongresie w Rzymie, a w roku 1884 na konferencji w Waszyngtonie (tej samej, na której przyjęto południk zerowy Greenwich) projekt Fleminga spotkał się z żywym zainteresowaniem i został przyjęty. Nie czekając na akceptację społeczności międzynarodowej Stany Zjednoczone wprowadziły czas strefowy na niektórych liniach kolejowych już w 1883 roku, a potem Japonia. Liczba państw, które przyjęły nową rachubę czasu jeszcze w XIX wieku stopniowo wzrastała. Były to między innymi Austro-Węgry, Holandia, Belgia, Niemcy, Włochy, Dania, Norwegia i Szwajcaria. W Polsce obowiązuje od 1922 roku.